图像传感器在机器人与自动化中的应用与发展

机器人技术和自动化应用正在全球范围内改变各个行业，从仓库到医疗设施，提升生产力、效率、安全性和运营可见性。这些应用的核心是图像传感器，它使机器人能够感知和与其环境互动。本篇文章探讨了图像传感器在机器人技术中的作用，并重点介绍了安森美（onsemi）在成像技术方面的进步及其相关解决方案。

移动机器人在现代工业中的作用

在过去的十年中，自动化和机器人技术彻底改变了许多行业，使传统流程变得更安全、更高效。在这些创新中，移动机器人处于自动化的前沿，为各个行业的运营带来了简化。移动机器人主要可分为两种类型：自主移动机器人（AMR）和自动导引车（AGV）。AMR 被设计为能够独立运行，可以在无需人工干预的情况下适应动态环境。借助诸如同时定位与地图构建（SLAM）等先进的感知技术，AMR 能够绘制周围环境的地图、识别障碍物并自主导航，使其成为工厂和仓库自动化等应用的理想选择。    相比之下，AGV 依赖于外部指导系统，如磁条或视觉追踪，以遵循固定路径运行。尽管 AGV 在装配线和库存管理等结构化环境中表现卓越，但它们缺乏 AMR 的灵活性。AGV 类似于在预定轨道上运行的火车，而 AMR 则更像能够绕过障碍物的汽车。这一区别使得 AMR 成为需要动态适应性解决方案的行业的首选。

图像传感器如何实现AMR自主性 

自主移动机器人（AMRs）无需指引即可运行，可动态适应新环境。然而，为实现自主移动，它们需要具备同时定位与建图（SLAM）能力。通过 SLAM 技术，机器人能够绘制周围环境地图并确定其自身位置。AMRs 依赖图像传感器完成诸如环境导航、3D 建图、避障和码识别等任务，而这些任务都需要精准且高效的感知能力。在 3D 建图方面，AMRs 使用立体成像、间接飞行时间测量（iToF）和激光雷达（LiDAR）等技术来测量深度并创建详尽的环境地图。深度感知使 AMRs 能够检测包括人类在内的物体，并规避潜在危险，这是在人机共存环境中确保安全的关键功能。    避障是另一个由图像传感器或深度传感器支持的关键功能。配备滚动快门或全局快门、快速处理速度以及高动态范围（HDR）的传感器使 AMRs 能够实时识别并应对障碍物。在诸如工厂或仓库等光线混合环境中，由于反光和阴影会使视觉感知复杂化，因此 HDR 技术显得尤为重要。    此外，图像传感器在码识别这一制造和物流中的常见任务中也发挥着重要作用。配备全局快门且功耗较低的传感器在这些应用中表现出色，使 AMRs 能够快速而准确地扫描和处理码信息。高效的长时间运行能力进一步提升了其在高要求工业环境中的价值。    尽管 AMRs 和自动导引车辆（AGVs）占据了移动机器人领域的主导地位，静态机器人在自动化中也发挥着至关重要的作用。这些固定在某处的机器人执行挑拣和分类物品等任务。与移动机器人一样，静态机器人依赖图像传感器进行深度检测和精准控制。先进的感知技术确保这些机器人即使在复杂的工业环境中也能以高精度完成任务。

生产力是推动机器人增长的关键驱动力

多个因素正在推动机器人在各行业的快速应用，其中生产力是主要驱动力。机器人可以长时间不知疲倦地执行重复性任务。效率是另一个主要优势，因为机器人消除了因人工干预而导致的延迟，使员工能够专注于更高价值的活动。安全性同样重要，因为机器人可以取代可能危及人类工人的危险任务。    为了提高生产力、效率和安全性，大多数客户寻求全面的数据以直观地了解运营情况。这些数据可以进行深入分析，并帮助确定有效的改进策略。通过利用详细直观的数据，客户能够深入了解其操作流程，从而实现更有效的决策和优化的性能。   机器人市场目前正经历显著增长，尤其是在自主移动机器人（AMR）领域。行业分析师预测，2024年至2030年期间，AMR的年复合增长率（CAGR）将达到16%至20%。这一增长得益于人工智能（AI）和自动化技术的进步，这不仅提升了机器人的能力，还为创新开辟了新的机会。

启用HDR的图像传感器提升视觉精度

作为成像技术的领导者，onsemi 开发了一系列创新的图像传感器，以满足机器人技术的需求。其产品包括滚动快门和全局快门传感器，以及用于深度感应和 HDR 应用的专用解决方案。这些技术使机器人能够以更高的精度、效率和可靠性执行任务。   滚动快门传感器因其较小的像素尺寸和较高的灵敏度而著称，非常适合需要在低光条件下实现细致成像的应用。然而，它们可能会引入运动伪影，从而限制其在动态环境中的使用。相比之下，全局快门传感器能够同时曝光所有像素，从而消除运动伪影，非常适合涉及移动物体、避障和代码读取的任务。   深度感应是 onsemi 的另一个优势领域。其 iToF 技术通过测量反射光的相位差来确定深度。onsemi 的 iToF 解决方案覆盖短距离（30 至 50 厘米），并可扩展到高达 20 米的距离，同时具有卓越的精度。   高动态范围（HDR）技术对在复杂光照环境中运行的机器人至关重要。HDR 传感器捕获多次曝光以生成平衡且精确的图像，确保机器人即使在高对比度或反光区域也能清晰地看到物体。HDR 可以通过多种方式实现。例如，多曝光 HDR 提供出色的低光性能，但可能会出现运动伪影。分体二极管像素 HDR 减少了运动伪影，但容易出现 LED 闪烁问题。单次曝光多增益模式（超级曝光模式）结合了上述两种方法的优点。HDR 技术的选择取决于具体应用的需求。   onsemi 提供多种 Hyperlux 图像传感器系列，以满足工业机器人各种需求。这些传感器结合了低功耗、高动态范围和先进特性，在克服复杂光照条件的同时提供卓越的图像质量。Hyperlux LP 系列专注于超低功耗，非常适合节能应用。Hyperlux LH 系列针对工业和商业环境设计，提供令人惊艳的 4K 视频质量，并配备增强的近红外（NIR）与 eHDR，以及 120 dB HDR，可在混合光照条件下实现出色性能。Hyperlux SG 系列结构紧凑，具有行业领先的全局快门效率，适合用于精确扫描、AR/VR 和 AMR 应用。Hyperlux ID 系列分辨率高达 1.2 MP，革新了 iToF 技术，扩展了室内/室外距离测量的范围，为 3D 感应开辟了新可能，并推动工业自动化、机器人、安全等领域的进步。   2024 年 7 月，onsemi 收购了 SWIR Vision Systems，该公司拥有胶体量子点技术的专利，使得基于 CMOS 的 SWIR（短波红外）传感器成为可能。与传统的基于 InGaAs 的 SWIR（900 nm 至 1700 nm）不同，onsemi 的 SWIR 覆盖更宽的范围（400 nm 至 2100 nm）。此外，onsemi 的 SWIR 传感器被归类为 EAR99，与 ITAR 分类的 InGaAs SWIR 传感器相比更易出口。目前，SWIR 已应用于 BGA、1 MP 和 2 MP 相机，更多产品正在开发中。

结论

图像传感器的未来在于实现更高的分辨率、更小的光学格式、更大的动态范围、更低的功耗和更高的精度。展望未来，人工智能与先进传感器技术的结合将为机器人技术开辟新的可能性。从医疗保健到教育，这些进步将使机器人能够在各种环境中执行愈加复杂的任务。随着机器人技术成本的不断下降，我们可以期待其在服务行业和家庭应用中的更广泛采用。    图像传感器是现代机器人技术的基石，以无与伦比的精度支持从3D映射到避障等任务的实现。onsemi 正积极通过持续创新满足这些需求，确保其传感器始终保持行业领先地位。onsemi 的尖端传感器技术，包括 Hyperlux 系列、iToF 解决方案以及 SWIR 传感器，正推动机器人技术和自动化领域的下一波发展浪潮。随着这些技术的不断演进，它们将扩展机器人的能力，为各行各业创造新的机遇，并改善我们的工作和生活方式。